Ответы к экзамену, страница 12

Биохимические основы и уровни регуляции метаболизма. Регуляциясинтеза ферментов. Конститутивные и индуцибельные ферменты. Индукция ирепрессия. Катаболитная репрессия.*Для самого существования жизни важны как регуляция активности отдельныхпутей метаболизма, так и координация деятельности этих путей.

Дезорганизациябез адекватного контроля метаболизма приводит к гибели клетки. Задачирегуляторных механизмов: все пути метаболизма должны регулироваться икоординироваться так эффективно, чтобы клеточные компоненты присутствовалив данный момент в точно необходимых количествах; микробные клетки должныэффективно «отвечать» на изменения окружающей среды использованиемимеющихся на данный момент питательных веществ и включением новыхкатаболических путей, когда другие в-ва становятся доступными. Регуляция важнадля поддержания баланса между энергодающими и синтетическими реакциями вклетке.

!Поток углерода через тот или иной путь может регулироваться следующимиосновными способами: !• локализацией метаболитов и ферментов в разных частях клетки;!• стимуляцией или ингибированием активности определенных ферментов,позволяющей быстро менять путь метаболизма;!• контролем количества молекул фермента у микроорганизмов на уровнетранскрипции.!Контроль активности ферментов осуществляется несколькими способами:!• аллостерическая регуляция предполагает наличие у молекулы фермента двухсайтов — каталитического и регуляторного. Под действием эффектора —небольшой молекулы, обратимо нековалентно связывающейся с регуляторнымсайтом фермента, происходит конформационное изменение его каталитическогосайта. !• ковалентная модификация ферментов — обратимый процесс, заключающийся вковалентном связывании или удалении определенной группы, что изменяетактивность фермента. !Каждый путь имеет хотя бы один фермент, определяющий скорость всегопроцесса, так как катализирует самую медленную, лимитирующую скоростьреакцию.

!Ферменты, синтезирующиеся независимо от условий выращиваниямикроорганизма, называются конститутивными (пример: ферменты утилизацииглюкозы), а синтезирующиеся при наличии опр. доступного субстрата —индуцибельными (ферменты утилизации лактозы). РНК-полимераза нуждается вналичии сигма-фактора для связывания промотора и инициации транскрипции.Сложный процесс, требующий радикальных изменений в транскрипции илисинтезе продуктов разных генов в опр. последовательности, может регулироватьсясерией сигма-факторов.

Каждый сигма-фактор дает возможность кор-ферментуузнавать специфическую пос-ть и транскрибировать именно эти гены. Заменасигма-факторы немедленно изменяет экспрессию генов. Другой механизмуправления синтезом нужного фермента — это индукция и репрессия. Например,фермент бета-галактозидаза — индуцибельный фермент, уровень которогоповышается в присутствии небольшой молекулы, называемой индуктором.Аминокислоты, присутствующие в окружающей среде, могут снижать образованиеферментов, ответственных за их биосинтез.

Тогда эти ферменты относят крепрессибельным, а метаболиты, вызывающие снижение синтеза такогоферменты, называют корепрессорами. Примером оперона под позитивнымконтролем может служить lac-оперон. Такие опероны функционируют только вприсутствии контролирующего фактора. Lac-оперон регулируется САР-белком илицАМФ. Когда бактерии растут на глюкозе, уровень цАМФ падает, что приводит кдезактивации САР-белка, и lac-оперон не экспрессируется. Это катаболитнаярепрессия. !!43.Регуляция активности ферментов.

Аллостерические ферменты иэффекторы. Ковалентная модификация ферментов. Аденилатный контроль,энергетический заряд клетки.*Контроль активности ферментов осуществляется несколькими способами:!• аллостерическая регуляция предполагает наличие у молекулы фермента двухсайтов — каталитического и регуляторного. Под действием эффектора —небольшой молекулы, обратимо нековалентно связывающейся с регуляторнымсайтом фермента, происходит конформационное изменение его каталитическогосайта.

!• ковалентная модификация ферментов — обратимый процесс, заключающийся вковалентном связывании или удалении определенной группы, что изменяетактивность фермента. !Каждый путь имеет хотя бы один фермент, определяющий скорость всегопроцесса, так как катализирует самую медленную, лимитирующую скоростьреакцию. !Ферменты, синтезирующиеся независимо от условий выращиваниямикроорганизма, называются конститутивными (пример: ферменты утилизацииглюкозы), а синтезирующиеся при наличии опр.

доступного субстрата —индуцибельными (ферменты утилизации лактозы). РНК-полимераза нуждается вналичии сигма-фактора для связывания промотора и инициации транскрипции.Сложный процесс, требующий радикальных изменений в транскрипции илисинтезе продуктов разных генов в опр. последовательности, может регулироватьсясерией сигма-факторов. Каждый сигма-фактор дает возможность кор-ферментуузнавать специфическую пос-ть и транскрибировать именно эти гены.

Заменасигма-факторы немедленно изменяет экспрессию генов. Другой механизмуправления синтезом нужного фермента — это индукция и репрессия. Например,фермент бета-галактозидаза — индуцибельный фермент, уровень которогоповышается в присутствии небольшой молекулы, называемой индуктором.Аминокислоты, присутствующие в окружающей среде, могут снижать образованиеферментов, ответственных за их биосинтез. Тогда эти ферменты относят крепрессибельным, а метаболиты, вызывающие снижение синтеза такогоферменты, называют корепрессорами. Примером оперона под позитивнымконтролем может служить lac-оперон. Такие опероны функционируют только вприсутствии контролирующего фактора.

Lac-оперон регулируется САР-белком илицАМФ. Если микроорг. растет в среде с глюкозой и лактозой, то наблюдаетсяявление диауксии: сначала используется вся глюкоза, а затем после короткого лагпериода начинает потребляться лактоза. Когда бактерии растут на глюкозе,уровень цАМФ падает, что приводит к дезактивации САР-белка, и lac-оперон неэкспрессируется. Это катаболитная репрессия. Уменьшение кол-ва цАМФ можетбыть следствием влияния ФЕП-фосфотрансферазной системы на активностьаденилатциклазы. !Активный катаболизм глюкозы приводит к возрастнию энергетического зарядаклетки, так как среди аденозинфосфатов преобладает АТФ, поэтому можносказать, что чем больше энергетический заряд клетки, тем меньше образуетсяцАМФ.

Энергетический заряд клетки: ([АТФ] + 1/2[АДФ])/[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]. !!44. Наследственная и ненаследственная изменчивость. Мутационная природаизменчивости. Частота мутантов и типы мутаций. Спонтанный ииндуцированный (радиационный и химический) мутагенезы. Популяционнаяизменчивость. Селекция различных мутантов.

Применение мутантовмикроорганизмов в научных исследованиях и в практических целях.*Совокупность всех генов организма называют генотипом, а совокупность присущихорганизму признаков — фенотипом. При изменеии внешних условий большинствоклеток в популяции претерпевает изменения, имеющие приспособительныйхарактер (адаптационная изменчивость). Адаптации не затрагивают генотип ивызваны регуляцией клеточного метаболизма. Скачкообразные изменеия генотипаносят название мутаций. Спонтанными называют мутации, возникающие вестественных условиях в результате нормальных ппоцессов в клетке или привзаимодействии клеток с окр. средой. Индуцированные мутации происходят подвлиянием опр., специально примененных физических, химических илибиологических агентов, называемых мутагенами. Мутагенным действием обладаютионизирующее излучение, УФ-лучи, ряд химических соединений. Радиационныймутагенез: рентгеновское излучение, быстрые нейтроны, УФ-облучение.Механизмы действия: преимущественно разрывы хромосомы и димеризацияпиримидиновых оснований.

Химический мутагенез: гидроксиламин, азотистая к-та,2-аминопурин, 5-бромурацил. Механизм действия: ошибки в репликации ДНК,дезаминирование цитозина. !Применение мутантов:!• вызывая изменения в гене, а следовательно, и в фенотипе, мутации служатгенетическими маркерами, позволяющими не только идентифицировать ген, нотакже локализовать его на хромосоме, плазмиде или другой молекуле ДНК вклетке с помощью методов генетического картирования;!• наличие набора мутаций помогает исследовать процессы метаболизма имеханизмы их генет.

контроля;!• исследование белков, измененных в рез-те мутаций, способствует установлениюих структуры и функционирования;!• мутации являются основой для селекции штаммов микроорг. с полезнымисвойствами (пример: продуценты антибиотиков).!Изменение одного нуклеотидного остатка (замена, вставка, выпадение) называютточечной мутацией.

Мутации, затрагивающие большие участки ДНК, ведут кнарушениям пос-ти и кол-ва генов. Для появления мутации необходимо, чтобыпроизошла репликация ДНК и изменение закрепилось в дочерней молекуле. Дляфенотипического проявления мутации требуется прохождение транскрипции итрансляции.

Так как микроорг. существуют не в виде отдельных особей, а видепопуляций, то нужно несколько клеточных делений, чтобы новый признакпроявился. !!45. Рекомбинация у прокариот: трансформация, трансдукция конъюгация.*Наследственную изменчивость у прокариотических микроорг. вызываютрекомбинации генет. материала трех основных типов: конъюгация, трансформацияи трансдукция.!Конъюгация предполагает непосредственный контакт клетки-донора и клеткиреципиента. Клетка-донор должна обладать так называемой половой плазмидой— F-фактором, который может быть автономен или интегрирован в хромосому.

Fфактор обусловливает способность донорной клетки вступать в контакт среципиентом, формировать половые F-пили, а также передавать генетическийматериал. При интеграции F-факторы в хромосому такая передача осущ. с высокойчастотой. Перенос генет. материала строго ориентирован: разрыв копиихромосомы и передача ДНК происходит в локусе 0 в пределах полового фактора.Скорость перенома в одинаковых условиях для опр. штамма является постоянной.Обычно всей хромосоме не удается перейти в клетку-реципиент, так как контактклеток очень нестабилен и часто прерывается до завершения перехода.

Посколькупервым реципиенту передается всегда один и тот же участок хромосомы, частотапередачи стоящих следом за ним генов позволяет расположить их по отношению кэтому локусу и составить генет. карту хромосомы.!Трансформацией называется процесс изменения свойств одних бактерий подвлиянием экзогенной растворенной ДНК, выделенной из других бактерий. Длятрансформации не нужна клетка-донор, а проникновение фрагментов ДНК зависитот физиологического состояния клетки-реципиента (компетентности). Толькодвухцепочечные фрагменты ДНК значительной молекулярной массы могут бытьтрансформирующими агентами. В геном может включиться ДНК с определеннойстепенью гомологии с ДНК реципиента.!Гены могут переносится из одной бактериальной клетки в другую и в процессетрансдукции.

При этом функцию векторов выполняют фаги, случайнозахватывающие фрагмент бактериальной хромосомы в процессе формированиязрелых фаговых частиц. При заражении клетки-реципиента таким фагом можетпроизойти включение фрагмента ДНК другой клетки путем обмена погомологичным участкам. !!46. Рекомбинация и генетический анализ у фагов. Плазмиды. Понятие отранспозонах. Использование вирусов и плазмид в генетической инженерии.*У многих бактерий обнаружены нехромосомные генетические элементы: плазмиды,умеренные фаги и мигрирующие элементы (транспозоны и IS-элементы).

Дляплазмид характерно стабильное существование в нехромосомном состоянии.Транспозоны и IS-элементы входят, как правило, в состав хромосом, но способныпереходить из хромосомы в плазмиду, поэтому также могут быть отнесены кнехромосомным генетическим элементам. Мигрирующие элементы,представленные транспозонами и IS-элементами, — это линейные молекулыдвухнитевой ДНК, размеры которых колеблются от 200 до 6000 пар нуклеотидов.Отличительная особенность мигрирующих элементов — их неспособность кавтономной репликации. Мигрирующие элементы могут встраиваться в разныеучастки бактериальной хромосомы или мигрировать с бактериальной хромосомына плазмиду; их репликация осуществляется под контролем тех же механизмов,что и у соответствующей хромосомы или плазмиды.